Підвищення ефективності перетворень інформативних сигналів радіоспектрометрів ядерного квадрупольного резонансу

Размещено на http://www.allbest.ru/

НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ “ЛЬВІВСЬКА ПОЛІТЕХНІКА”

Іванчук Михайло Михайлович

УДК 621.37:537.635

ПІДВИЩЕННЯ ЕФЕКТИВНОСТІ ПЕРЕТВОРЕНЬ ІНФОРМАТИВНИХ СИГНАЛІВ РАДІОСПЕКТРОМЕТРІВ ЯДЕРНОГО КВАДРУПОЛЬНОГО РЕЗОНАНСУ

05.12.13 - Радіотехнічні пристрої та засоби телекомунікацій

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Львів - 2011



ДИСЕРТАЦІЄЮ Є РУКОПИС

Робота виконана в Чернівецькому національному університеті імені Юрія Федьковича Мiнiстерства освіти і науки, молоді та спорту України

Науковий керівник

кандидат фізико-математичних наук, доцент

Браїловський Володимир Васильович,

Чернівецький національний університет імені Юрія Федьковича (м. Чернівці),

доцент кафедри “Радіотехніка та інформаційна безпека”

Офіційні опоненти

доктор технічних наук, професор

Мичуда Зиновій Романович

Національний університет “Львівська політехніка” м. Львів),

професор кафедри “Комп`ютеризовані системи автоматики”

доктор фізико-математичних наук, доцент

Яценко Олександр Вікторович

Таврійський національний університет імені В.І.Вернадського (м. Сімферополь),

професор кафедри “Фізика твердого тіла”

Захист відбудеться 27 квітня 2011 р. о 13 00 год. на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 35.052.10 у Національному університеті “Львівська політехніка” за адресою: 79013, Львів-13, вул. С. Бандери, 12 (218 ауд. 11 корпусу).

З дисертацією можна ознайомитися в науково-технічній бібліотеці Національного університету “Львівська політехніка” за адресою: 79013, Львів-13, вул. Професорська, 1

Автореферат розісланий 25 березня 2011

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради, д.т.н. Бондарєв А.П.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Розробка приладів дослідження речовин неруйнуючими методами є перспективним напрямком науки і техніки. Радіоспектроскопічні методи дослідження речовин надзвичайно важливі в практичному аспекті та для наукових досліджень в області сигнальних перетворень. За принципом функціонування радіоспектрометри є радіотехнічними системами вилучення інформації, що дозволяє застосовувати існуючі методики обробки сигналів та впроваджувати нові в приладах цієї галузі.

Радіоспектроскопія ядерного квадрупольного резонансу на даний час є безальтернативним методом дослідження речовин на рівні ядерного оточення. Метод ЯКР використовують у медицині для раннього виявлення онкологічних захворювань, в мікроелектроніці для дослідження дефектів кристалічної гратки, в спеціальних областях техніки - як експрес-метод детектування вибухових та наркотичних речовин. В даний час роботи в плані застосування ефекту ЯКР для створення пристроїв виявлення небезпечних речовин проводяться фірмами Naval Research Laboratory, Quantum Magnetics і Martin Marietta в США, Hitachi в Японії і British Technology Group Ltd в Англії та ISL у Франції. Аналогічні розробки ЯКР детекторів вибухових та наркотичних речовин проводяться у ТОВ “Логис” і ГП НДІ приладобудування ім. В.В.Тихомирова (м. Жуковський, Росія). Для реалізації портативних засобів детектування речовин важливою особливістю є те, що на відміну від інших методик, радіоспектрометри ЯКР не потребують габаритних та масивних генераторів магнітного поля. Розробкою теоретичної та практичної науково-технічної бази радіоспектроскопії ЯКР в різні роки займались вітчизняні та закордонні вчені, такі як Pound R.T., Sullivan N.S., Гречішкін В.С., Яценко О.В., Хандожко О.Г.

Сигнал відгуку пропорційний кількості ядер з квадрупольним моментом і в кінцевому рахунку - масі досліджуваної речовини. Тому для швидкого детектування малих об'ємів небезпечних речовин необхідно забезпечити високу ефективності перетворень інформативних сигналів ЯКР на етапах їх формування, передавання та оброблення.

Вирішення цієї задачі можливе шляхом вдосконалення методики збудження ядер досліджуваної речовини, точності відтворення сигналу ЯКР, зменшенням часу його отримання та первинної обробки, а також використанням ефективних засобів налаштування радіоспектрометрів.

Метою даного дослідження є підвищення загальної ефективності перетворень сигналів відгуку ЯКР шляхом покращення їх відтворюваності та зменшення часу отримання, що досягається удосконаленням алгоритмів, методик та апаратних реалізацій сигнальних перетворень.

Ці питання є основою дисертаційної роботи, в якій вирішується науково проблема дослідження сигнальних перетворень на всіх етапах отримання сигналів відгуку ЯКР. Отримане в результаті проведених наукових досліджень покращення технічних характеристик засобів радіоспектроскопії ЯКР забезпечить можливість оперативного детектування малих кількостей небезпечних речовин, що матиме важливе наукове та практичне значення.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконана відповідно до планів наукової тематики кафедри радіотехніки та інформаційної безпеки Чернівецького національного університету імені Юрія Федьковича: “Радіофізичні методи дослідження матеріалів електронної техніки” (Держ. реєстр. №0102U006604), “Розробка приладів радіоспектроскопічних та теплофізичних методів досліджень напівпровідникових матеріалів” (Держ. реєстр. №0106U008491), у ході виконання проекту УНТЦ №2369 "Ідентифікація азоту в твердих речовинах методом ЯКР", при виконанні держтеми №18.81 "Ідентифікація структурних дефектів в шаруватих сполуках групи A3B6 методом ядерного квадрупольного резонансу" (Держ. реєстр. №0108U002057) де автор брав участь, як виконавець.

Мета роботи і завдання досліджень. Метою роботи є підвищення ефективності отримання сигналів відгуку ЯКР шляхом покращення їх відтворюваності та зменшення часу обробки у неперервних та імпульсних радіоспектрометрах.

Для досягнення поставленої мети необхідно розв'язати наступні задачі:

* Дослідити впливи внутрішніх та зовнішніх факторів на роботу давача з електронним переналаштуванням частоти неперервного спектрометра. Запропонувати методи та засоби покращення відтворюваності сигналів ЯКР шляхом удосконалення коливного контуру давача радіоспектрометра.

* Вивчити вплив керувальних сигналів сканування за частотою на відтворюваність сигналів відгуку ЯКР та час отримання інформації. Запропонувати метод сканування, адаптований до синтезу сигналів цифровими схемами і розробити апаратні засоби його реалізації.

* Розробити радіоелектронний резонансний імітатор сигналів ядерної індукції з метою заміни хімічних еталонів для налаштування радіоспектрометра. Дослідити можливість використання індуктивно-зв'язаного резонансного імітатора сигналів ядерної індукції для налаштування неперервного радіоспектрометра за частотою.

* Запропонувати метод зменшення впливу синхронних завад в імпульсній методиці. Розробити схемотехнічне рішення пристрою детектування для реалізації методу із використанням цифрових керувальних пристроїв та засобів прямого синтезу частоти.

Об'єктом дослідження є процеси отримання та обробляння сигналів відгуку ядерного квадрупольного резонансу в радіоспектрометрах імпульсної та неперервної методик.

Предметом дослідження є методи і засоби підвищення ефективності перетворень сигналів відгуку ядерного квадрупольного резонансу на етапах його отримання, збереження та обробки.

Методи дослідження: В роботі використано методи теорії радіотехнічних систем, спектрального аналізу, імітаційного моделювання, методи експериментальних досліджень і обробки їх результатів.

Наукова новизна отриманих результатів полягає в тому, що:

* Вперше встановлено, що точність відтворення сигналу ЯКР при використанні неперервної методики значно погіршується за рахунок нелінійності вольт-фарадної характеристики варикапа, що використовується в складі коливного контуру давача радіоспектрометра, а також параметричності контуру, породжуваної проникненням високочастотної напруги в керувальні ланки. Запропоновано вирішення проблеми підвищення відтворюваності сигналу відгуку шляхом компенсації впливу нелінійних ділянок вольт-фарадної характеристики за рахунок використанням варикапного моста як електронно-керованої ємності коливного контуру.

* Удосконалено методику отримання сигналу відгуку ЯКР, в якій на відміну від відомих використовується ступінчастий сигнал керування давачем неперервного радіоспектрометра. Це дозволяє усунути недоліки, обумовлені наявністю лінійно-змінної складової сигналу керування та підвищити точність відтворення сигналу відгуку ЯКР.

* Удосконалено налаштування неперервного радіоспектрометра по частоті за допомогою індуктивно-зв'язаного резонансного імітатора сигналів ядерної індукції, шляхом адаптації засобів налаштування імпульсного радіоспектрометра ЯКР.

* Подальшого розвитку набула методика підвищення достовірності детектування малих об'ємів досліджуваної речовини імпульсним радіоспектрометром, в якій, на відміну від існуючих методик, використовується фазова маніпуляція ВЧ сигналу заповнення імпульсів збудження речовини.

Практичне значення одержаних результатів. Результати роботи уможливили побудову радіоспектрометрів ЯКР імпульсної та неперервної методик з покращеними технічними характеристиками.

* В неперервному радіоспектрометрі ЯКР автодинного типу застосовано розроблений варикапний міст у складі коливного контуру давача, а також блок синтезу ступінчастого сигналу розгортки, що дозволило підвищити ефективність відтворення сигналу відгуку ЯКР на 20% і зменшити часу сканування у 5 разів в порівнянні з відомими рішеннями.

* Розроблено та досліджено схему резонансного імітатора, для налаштування автодинних радіоспектрометрів ЯКР, що забезпечує проведення калібрування у вузькій смузі робочих частот з роздільною здатністю 1 Гц.

* Застосування запропонованої методики сканування досліджуваної речовини радіоімпульсами з фазовою маніпуляцією ВЧ заповнення дозволило значно підвищити чутливість імпульсного радіоспектрометра до виявлення 14N. Це забезпечило можливість реєструвати відгук ЯКР від дрібнокристалічного NaNO2 масою 0,5 г.

* Встановлено, що найбільш ефективним з точки зору часу, затраченого на отримання корисної інформації є використання шести накопичень сигналу, що забезпечує пригнічення синхронної завади у 7,85 разів.

Реалізація та впровадження результатів роботи.

Запропоновані автором засоби та методи використані при проектуванні радіоспектрометра для експрес-аналізу характеристик напівпровідникових матеріалів (Відкрите акціонерне товариство «ЦКБ Ритм», Мінпромполітики України), для калібрування неперервних радіоспектрометрів (Чернівецьке відділення інституту проблем матеріалознавства НАН України ім. І.М. Францевича). Метод пониження рівня гармонічних складових генерованих коливань шляхом використання варикапного моста використано при проектуванні генераторів, керованих напругою із покращеними характеристиками (при розробці вимірювача оптичної проникності диму ИОПД-1 МЦИ 059.00.00 ПП "АРТОН"), принцип побудови системи автоматизації - для розробки пристрою вхідного контролю оповіщувачів ПВК-1 (КПСМ.421.413.003, ПП «Сігма»). Метод фазової маніпуляції збуджуючих імпульсів, як спосіб підвищення завадостійкості в імпульсних радіоспектрометрах ЯКР впроваджено у навчальний процес в курсі “Радіоелектронні системи” в розділі “РТС радіоспектроскопії” (кафедра радіотехніки та інформаційної безпеки Чернівецького національного університету).

Практичну цінність отриманих результатів підтверджують 5 актів впровадження.

Особистий внесок здобувача. Усі основні результати, що виносяться на захист, отримані автором особисто. У роботах, виконаних у співавторстві, автору належать: оригінальне схемотехнічне рішення давача радіоспектрометра [1], та сигнал керування [2, 3], що забезпечує підвищення точності відтворення сигналу відгуку та зменшення часу його отримання; методики [2] та засоби реалізації керування роботою неперервного радіоспектрометра [4], реєстрації сигналу відгуку ЯКР [5] і автоматизації його обробки [6]; використання методу сканування із фазовою маніпуляцією та апаратна реалізація керованого детектора для її реалізації [7, 8]; автоматизована система керування роботою спектрометра [9, 10], збору та обробки даних [11, 12]; методика калібрування неперервного радіоспектрометра за допомогою резонансного імітатора та дослідження його функціонування [13].

Роль автора у виконанні даних науково-дослідних робіт полягала у дослідженні, проектуванні та практичній реалізації схемотехнічних рішень для реалізації запропонованих методів підвищення ефективності сигнальних перетворень сигналів відгуку ЯКР.

Апробація результатів дисертації. Основні результати роботи, що включені до дисертації, доповідались та обговорювались на:

* 5-й міжнародній науково-технічній конференції “Современные информационные и электронные технологии”, м. Одеса, 2005 року;

* Міжнародній науково-технічній конференції студентів, аспірантів і молодих вчених «РТ-2006» м. Севастополь, 17-21 квітня 2006 року;

* 8th international Balkan workshop on applied physics. July 5-7, 2007. Constanca. Romania;

* Науково-практичній конференції «Современные информационные и электронные технологии» Одесса, 19--23 травня 2008 року;

* 9th International Conference on Development and Application Systems, Suceava, Romania, May 22-24, 2008.

Дисертаційна робота в повному обсязі доповідалась та обговорювалась на наукових семінарах кафедри радіотехніки та інформаційної безпеки Чернівецького національного університету (Чернівці. 2005-2010 р.).

Публікації. Основні отримані результати викладені в 13 друкованих роботах, опублікованих у вітчизняних та зарубіжних журналах, матеріалах наукових конференцій, зокрема 3 патенти на винахід (корисну модель), 4 статті у фахових виданнях з переліку, затвердженого ВАК України, 1 публікація у закордонному журналі, 5 - у вигляді матеріалів конференцій.

Структура та обсяг дисертаційної роботи. Дисертація складається зі вступу, чотирьох розділів, висновків, списку використаних літературних джерел. Загальний обсяг дисертації - 148 сторінок, у тому числі 75 рисунків, 2 таблиці, список використаних літературних джерел зі 152 найменувань.

ядерний квадрупольний резонанс індукція

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі висвітлено суть і стан проблеми, сформульовано мету та задачі досліджень, наведено наукову новизну і практичну цінність дисертаційної роботи. Вказується структура роботи, відомості про публікації, апробацію і впровадження результатів роботи.

У першому розділі проводиться аналіз отримання та оброблення сигналів відгуку ЯКР а також методів підвищення їх ефективності у неперервних та імпульсних радіоспектрометрах.

Проведено порівняння структурно-алгоритмічних засобів, що є найбільш критичними з точки зору ефективності відтворення сигналу відгуку ЯКР: електронно-керованого робочого коливного контуру давача неперервного радіоспектрометра, приймально-реєструючих засобів імпульсного радіоспектрометра та засобів калібрування.

Виходячи з аналізу технічних характеристик існуючих засобів неперервної радіоскопії, зроблено висновок, що для їх покращення необхідно збільшити відтворюваність сигналу відгуку ЯКР та зменшити час сканування досліджуваної речовини.

Розглянуто особливості апаратних реалізацій коливних контурів давачів радіоспектрометрів ЯКР, що забезпечують лінійність резонансної системи. Проведено порівняльний аналіз керувальних сигналів електронно-переналаштовуваною ємністю коливного контуру давача ЯКР з точки зору забезпечення лінійності резонансної системи давача.

Розглянуто існуючі методи та апаратно-алгоритмічні радіоелектронні засоби налаштування імпульсних та неперервних радіоспектрометрів. Зроблено висновок, що найбільш перспективним є використання резонансних індуктивно-зв'язаних імітаторів сигналів ядерної індукції, які найбільше відповідають умові радіоспектроскопічного експерименту, а також, що їх апаратні реалізації потребують удосконалення. Аналітично виявлено, що основною проблемою для реалізації налаштування радіоспектрометра електронними засобами є низький рівень ВЧ напруги в робочому коливному контурі автодинного давача.

Встановлено, що у сучасних наукових роботах питання підвищення ефективності імпульсних радіоспектрометрів вирішується шляхом удосконалення передаючих частин, коливних контурів давачів та способів реєстрації сигналу відгуку. Пристрої реєстрації та первинної обробки сигналів відгуку ЯКР є ключовими у вирішенні даної проблеми, а їх сигнальні перетворення потребують подальшого вивчення і удосконалення.

Для підвищення ефективності сигнальних перетворень в радіоспектрометрах стаціонарної та імпульсної методик необхідно вирішити наступні задачі:

Запропонувати метод зменшення параметричності коливного контуру давача неперервного радіоспектрометра для підвищення вибірковості контуру та зменшення інтенсивності побічних спектральних складових при взаємодії магнітного поля котушки із досліджуваною речовиною.

Розробити апаратні засоби налаштування неперервних радіоспектрометрів індуктивно-зв'язаними резонансними імітаторами ядерної індукції для підвищення роздільної здатності за частотою налаштування.

Необхідно запропонувати методично-апаратне забезпечення реалізації пристроїв реєстрації та первинної обробки сигналу відгуку ЯКР із підвищеними можливостями придушення неінформативних складових сигналу і зменшенням часу його отримання.

Запропонувати метод усунення впливу прицільних за частотою завад на точність відтворення сигналу відгуку ЯКР імпульсним радіоспектрометром. Розробити схемотехнічні рішення для реалізації запропонованого методу з використанням пристроїв прямого цифрового синтезу сигналів.

У другому розділі проведено дослідження впливу основних структурних елементів радіоспектрометра неперервної методики на відтворюваність спектру та швидкість отримання сигналу відгуку ЯКР. Запропоновано використання варикапного моста (рис.1), в якості електронно-переналаштовуваної ємності коливного контуру давача, що у порівнянні з відомими ввімкненнями варикапу забезпечує майже повне усунення впливу її зв'язку по ВЧ напрузі з ланками керування і як наслідок, зменшує параметричність резонансу.



Рис. 1. Коливний контур давача з варикапним мостом.

Комп'ютерне моделювання роботи коливного контуру, проведене у програмному середовищі MicroCap v.8.0, підтвердило ефективність застосування варикапного моста в коливному контурі давача. Ширина смуги пропускання коливного контуру давача у досліджуваному діапазоні частот 4..6 МГц звузилась на 20..30 % у порівнняні із випадком використання варикопної матриці.

Експериментально отримані спектри коливань при використанні варикапної матриці та моста в якості електронно-переналаштовуваної ємності коливного контуру давача наведені на рис.2.а та рис.2.б відповідно.

а) б)

Рис. 2. Спектр автоколивань коливного контуру давача ЯКР

а) з варикапною матрицею, б) з варикапним мостом

Із аналізу форм спектрів, приведених на рис.2 випливає, що використання в коливному контурі варикапного мосту замість варикапної матриці (при використанні в обох випадках однакових варикапів) в значно зменшує вміст гармонічних складових і забезпечує підвищення точності відтворення сигналу ЯКР на 30..40 % в досліджуваному діапазоні частот, що добре узгоджується з результатами комп'ютерного моделювання.

Рис. 3. Сигнал керування ємністю коливного контуру давача ЯКР.

Рис. 4. Формування сигналу керування ємністю коливного контуру давача.

Керування варикапним мостом коливного контуру давача радіоспектрометра здійснено сигналом . Часове представлення його абсолютного значення на періоді розгортання приведено на рис.3. Динамічний діапазон сигналу розгортки знаходиться в межах , що забезпечує частотне сканування у заданому діапазоні.

Сигнал керування варикапом , представлений на рис.4.в формується шляхом суперпозиції меандру з періодом (рис.4.а) і ступінчастого сигналу розгортання (рис.4.б). Ступінчастий сигнал, на відміну від відомих на основі безперервно змінної напруги (з гармонічною, трикутною або біполярною прямокутною складовою свіпування) забезпечує можливість фіксування сигналу відгуку ЯКР при постійній частоті збудження, що усуває неточності його відтворення.

Період розгортки складається з періодів меандру

.

Рівень напруги керувального сигналу в проміжки часу залежить від номеру відліку та описується наступною математичною моделлю:

де - напруга зміщення керувального сигналу, визначається швидкістю часової розгортки; часовий інтервал

,

- амплітудне значення напруги, що забезпечує необхідну глибину частотної модуляції; (В/с) - швидкість сканування, яка задається, виходячи із умов експерименту.

Залежність частоти коливного контуру від напруги керувального сигналу можна лінеаризувати апаратними засобами, тобто частота

,

де - коефіцієнт пропорційності, який залежить від конструкції коливного контуру і параметрів його компонентів.

На рис. 5 зображено процес реєстрації сигналу відгуку ЯКР при використанні описаного ступінчастого сигналу керування.

Рис. 5. Реєстрація сигналу відгуку ЯКР при використанні ступінчастого сигналу керування варикапом

а) - фрагмент частотної розгортки, б) - фрагмент лінії відгуку ЯКР,

в) - реєстровані значення сигналу відгуку.

Інтервалам

відповідає незмінне значення частоти. Саме в цих інтервалах здійснюється вимірюваня частоти . Значення амплітуди сигналу відгуку ЯКР вираховуються, як усереднене значення серії вимірювань на часових проміжках ( - час початку серії вимірювань,

,

- час, протягом якого відбуваються перехідні процеси при переналаштуванні коливного контуру з частоти на частоту ). Кількість вимірювань в серії

,

де - частота дискретизації аналогово-цифрового перетворювача. Компоненти вектора першої похідної

сигналу відгуку ЯКР вираховується, як

.

В результаті отримуються три вектори даних: вектор частот

,

вектор амплітудних значень

,

і вектор похідних

,

дані яких зберігаються у пам'яті розробленого блоку керування радіоспектрометром, що забезпечує синтез описаного сигналу розгортки, виконує вимірювання сигналу відгуку ЯКР та оброблення даних.

Метод забезпечує можливість протягом часу сканування одночасно отримувати в цифровому представленні спектральної лінії сигналу відгуку ЯКР та її першої похідної із підвищеним співвідношення сигнал/шум.

У третьому розділі досліджено можливість використання індуктивно-зв'язаного резонансного імітатора сигналів ядерної індукції для налаштування неперервних радіоспектрометрів ядерного квадрупольного резонансу.

Рис. 6. Схема імітатора сигналів ядерної індукції

Для налаштування неперервного радіоспектрометра запропоновано удосконалений імітатор, в основі конструкції якого закладено принцип суперпозиції лінійних коливних систем послідовного коливного контуру (як еквівалентна модель кварцу) та паралельного LC контуру (рис. 6). Така схема, при налаштуванні двох підсистем на одну резонансну частоту дозволяє знизити поріг напруги збудження за рахунок взаємодії коливної системи контуру та механічної системи кварцу. В результаті отримано можливість грубого налаштування радіоспектрометра за АЧХ LC контуру, і точного - за АЧХ кварцу при реєстрації радіоспектрометром рівня поглинання “речовиною” енергії електромагнітного поля збудження.

Проведено комп'ютерне моделювання роботи імітатора сигналів ядерної індукції, результати якого порівнювались з сигналом відгуку, отриманого з допомогою досліджуваного неперервного радіоспектрометра. Також створена математична модель, яка дозволяє прогнозувати форму ліній відгуку імітованого сигналу.

Рис. 7. Лінії сигналу відгуку імітатора при комбінаціях стану ключів К1 та К2: а) , ; б) , ; в) , ; г) , .

Робота імітатора була досліджена за допомогою неперервного радіоспектрометра на основі автодину Робінсона. На рис.6 представлене сімейство сигналів відгуку від імітатора, отриманих експериментально при різних комбінаціях добротності кіл з кварцом та LC контуром. Результати досліджень проведені при різних комбінаціях стану ключів К1 та К2, при напрузі коливань збуджуючого ВЧ сигналу (графік рис. 7.а) та (сімейство графіків рис. 7.б.г). Отримані лінії відгуку добре узгоджуються із результатами комп'ютерного моделювання, що підтверджує ефективність використання запропонованого імітатора для налаштування неперервного радіоспектрометра.

У четвертому розділі виконано комплексне дослідження можливості зменшення впливу зосередженої синхронної завади на приймально-реєструвальну частину імпульсного радіоспектрометра. Запропоновано використання фазової маніпуляції ВЧ заповнення сканувальних радіоімпульсів з наступним синхронним детектуванням. Формування фазоманіпульованого імпульсу можливе за рахунок використання швидкодіючих систем прямого синтезу частоти, що забезпечує стрибкоподібну зміну фази ВЧ заповнення кожного наступного радіоімпульсу. Сигнали відгуку ЯКР зі збереженням значення початкової фази накладаються з синхронізуючим сигналом, зсунутим на час

,

пропорційний куту фазового стрибка. Процес утворення сканувальних послідовностей радіоімпульсів при кількості ступенів зміни фази () приведено на рис. 8.

Рис. 8. Формування послідовності сканувальних радіоімпульсів із фазовою маніпуляцією:

а) - імпульси керування, б) - ВЧ сигнал заповнення, в) - послідовність збуджуючих імпульсів.

Стрибкоподібна зміна фази сигналу опорного генератора здійснюється в інтервалі “мертвого часу” що виключає вплив зсуву фази на роботу синхронного детектора в інтервалі реєстрації корисного сигналу.

Для реалізації методу синхронного детектування з використанням фазової маніпуляції запропонована схема керованого детектора, що забезпечує практично повне придушення постійної складової сигналу відгуку ЯКР (рис.8).

При подаванні на вхід формувача керувальних імпульсів сигналу від опорного генератора, на виході схеми отримуються два протифазні сигнали з частотою опорного генератора.

Детектування корисного сигналу відбувається лише при наявності двох протифазних синхронізувальних сигналів. У противному випадку детектор буде функціонувати, як закритий ключ, запобігаючи проникненню неінформативних сигналів. Наявність функції керування забезпечує зупинку роботи детектора в часових інтервалах, коли можливе просочення неінформативних складових сигналу відгуку ЯКР.

Рис. 9. Принципова схема широкодіапазонного синхронного детектора

Експериментальне дослідження ефективності фазової маніпуляції та широкодіапазонного синхронного детектора проводилось за допомогою імпульсного радіоспектрометра, структурна схема якого представлена на рис. 10.



Рис. 10. Структурна схема імпульсного автоматизованого радіоспектрометра.

Дослідження виконувались із використанням генератора прямого синтезу сигналу SpinCore PulseBlaster DDS та цифрового осцилографа TDS-1012. На рис. 11 представлено результат Фур'є-перетворення сигналів з використанням запропонованого детектора (умови експерименту: досліджувана речовина - нітрит натрію NaNO2, , частота слідування імпульсів збудження , тривалість сканувального імпульсу , )

а) б)

Рис. 11. Сигнали індукції ЯКР ядер 14N:

а) - при використанні типового синхронного детектора (маса зразку 1 г)

б) - при використанні керованого високорівневого детектора (маса зразку m = 0.5 г)

Рівень спектральних складових з частотою, меншою від частоти основної лінії послабився не менше ніж на 5 дБ, що забезпечило усунення явища маскування сигналу відгуку ЯКР детектованої речовини при детектуванні її гранично малої маси 0,5 г дрібнокристалічного NaNO2.



ОСНОВНІ РЕЗУЛЬТАТИ ТА ВИСНОВКИ

В процесі виконання роботи було розв'язано важливу наукову задачу підвищення часової і точнісної ефективності отримання і відтворення інформативних сигналів в радіоспектроскопії ЯКР. В процесі виконання роботи отримано такі основні результати та сформульовано наступні висновки:

1. На основі аналітичних та експериментальних досліджень виявлено вплив на ефективність відтворення сигналу відгуку ЯКР в неперервному радіоспектрометрі параметрів, що зумовлені наявністю нелінійних елементів в складі переналаштовуваного коливного контуру давача.

2. Використання варикапного моста, який запропонований і розроблений автором, в якості електронно-переналаштовуваної ємності коливного контуру давача ЯКР забезпечує зменшує вплив зв'язку контуру по ВЧ напрузі з ланками керування і підвищує ефективність відтворення сигналу відгуку ЯКР не менше, ніж на 20 % у порівнянні з відомими рішеннями.

3. Запропоновано метод часової розгортки та форму сигналу при частотному скануванні для неперервного радіоспектрометра із давачем, у складі якого застосовано варикапний міст, що зменшує час сканування не менше ніж у 5 разів у порівнянні з відомими методами. Розроблено і реалізовано мікропроцесорний блок керування радіоспектрометром, який забезпечує синтез описаного сигналу розгортки, виконує оцифрування сигналу відгуку ЯКР та попередню обробку даних.

4. Для забезпечення можливості налаштування неперервного радіоспектрометра у вузькій смузі робочих частот при низькому рівні сигналу автодину - 0,1..0,4 В запропоновано використання індуктивно-зв'язаного резонансного імітатора сигналів ядерної індукції, який забезпечує проведення калібрування у вузькій смузі робочих частот з роздільною здатністю 1 Гц, що уможливлює швидке і точне налаштування радіоспектрометра.

5. Запропонована методика збудження досліджуваної речовини радіоімпульсами із маніпуляцією фази високочастотного заповнення із послідуючим накопиченням сигналу відгуку, що дозволяє усунути вплив синхронних завад і в кінцевому результаті підвищити ефективність реєстрації сигналу відгуку ЯКР.

6. Розроблено керований синхронний детектор із розширеним динамічним діапазоном для апаратного забезпечення методу детектування із маніпуляцією фази, що зменшує вплив перехідних процесів на приймальну частину імпульсного ЯКР - спектрометра, який дає можливість покращити співвідношення сигнал/шум не менше ніж на 5 дБ в порівнянні з відомими рішеннями.

7. Виявлено граничні можливості виявлення малих кількостей досліджуваних речовин із використанням фазової маніпуляції в імпульсному радіоспектрометрі. Отримано відгук від ядер 14N в 0,5 г дрібнокристалічного NaNO2, що доводить можливість детектування компонент вибухових речовин у граничних кількостях.



СПИСОК ОСНОВНИХ ПУБЛІКАЦІЙ

1. Пат. 42616 Україна, МПК7(2009) H03B 1/00, H03B 5/08, G01N 24/00, Генератор, керований напругою / Браїловський В.В., Іванчук М.М. Саміла А.П.; заявник і власник Чернівецький національний університет імені Юрія Федьковича - № 200901941 ; заявл. 04.03.09 ; опубл. 10.07.09, Бюл. № 13

2. Браїловський В.В. Сигнал керування ємністю давача / Браїловський В.В., Іванчук М.М., Малик І.В. // Всеукраїнський міжвідомчий науково-технічний збірник "Радіотехніка" ISSN 0485-8972 Харків, ХНУРЕ, 2009, Т.159, с. 367-372.

3. Пат. 48993 Україна, МПК7(2009) G01N 24/00. Спосіб підвищення величини монохроматичності спектра високочастотних коливань автодинного детектора / Браїловський В.В., Іванчук М.М., Малик І.В.. Саміла А.П.; заявник і власник Чернівецький національний університет імені Юрія Федьковича - № 2009 11235 ; заявл. 05.11.09 ; опубл. 12.04.10, Бюл. № 7

4. Ivanchuk М. Automated NQR - spectrometer. Ivanchuk М., Brajlovskyj V. Book of Abstracts 9th International Conference on Development And Application Systems, Suceava, Romania, May 22-24, 2008. - P. 9-11

5. Браїловський В.В. Мікропроцесорна система керування ЯКР - спектрометром / Браїловський В.В., Іванчук М.М. Мікропроцесорна система керування ЯКР - спектрометром. // Вимірювальна та обчислювальна техніка в технологічних процесах №2 2007 с. 184-186

6. Браїловський В.В. Універсальний пристрій спряження ЯКР - спектрометра з ЕОМ / Браїловський В.В., Чуботару (Іванчук) М.М., Шпатар П.М. // Універсальний пристрій спряження ЯКР - спектрометра з ЕОМ. Вісник Хмельницького національного університету №4 / Ч.1, Т2. Технічні науки. Хмельницький 2005. С. 226 - 228.

7. Синхронний підсилювач для ЯКР - спектрометра. Браїловський В.В., Жук О.П., Танасюк В.С., Іванчук М.М. // Труды девятой международной научно-практической конференции Современные информационные и электронные технологии, Одесcа, 2008 г. - С. 217.

8. Brailovskii V.V. A Detector for the Pulsed Nuclear Quadrupole Resonance Spectrometer. Brailovskii V.V., Ivanchuk M.M., and Vatamanyuk P.P. // Instruments and Experimental Techniques, 2009, Vol. 52, No. 2, - P. 230-233

9. Браїловський В.В. Генератор керуючих імпульсів для ЯМР на основі мікро контролера / Браїловський В.В, Чуботару (Іванчук) М.М. // Труды пятой международной научно-практической конференции Современные информационные и электронные технологии, Одесса, 2005. - С. 71.

10. Brailovsky V. Electronic management system for impulsive NQR spectrometer / Brailovsky V., Ivanchuk M, Shpatar P. // Book of Abstracts 8th international balkan workshop on applied physics, Constanca, Romania, - P.217

11. Чуботару (Іванчук) М.М. Система збору даних спектрометра ЯКР на основі ПЛІС : матеріали Міжнародної науково-технічної конференції студентів, аспірантів і молодих вчених [“Сучасні проблеми радіотехніки і телекомунікацій РТ-2006”] / міністерство освіти і науки України, Севастопольський національний технічний університет, 2006. -136 с.

12. Браїловський В.В. Інтегрована система збору даних та керування для імпульсного спектрометра ЯКР / Браїловський В.В., Шпатар П.М., Чуботару (Іванчук) М.М. // Науковий вісник Чернівецького національного університету ім. Ю.Федьковича. Випуск 303. (Фізика . Електроніка.) м.Чернівці, 2005, С. 41-42

13. Пат. 39238 Україна, МПК7(2009) G01N 24/00, Імітатор сигналів ядерної індукції / Браїловський В.В., Іванчук М.М. заявник і власник Чернівецький національний університет імені Юрія Федьковича -№ 200813039, заявл. 10.11.08 ; опубл. 10.02.09, Бюл. № 3



АННОТАЦІЯ

Іванчук М.М. Підвищення ефективності перетворень інформативних сигналів радіоспектрометрів ядерного квадрупольного резонансу. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.12.13 - “Радіотехнічні пристрої та засоби телекомунікацій”.-- Національний університет "Львівська політехніка", Львів, 2011.

Дисертацію присвячено вирішенню важливої наукової задачі підвищення часової і точнісної ефективності отримання і відтворення інформативних сигналів в радіоспектроскопії ядерного квадрупольного резонансу.

В дисертаційній роботі запропоновано методику отримання сигналу відгуку ядерного квадрупольного резонансу, яка базується на використанні ступінчастого сигналу часової розгортки, що забезпечує підвищену ефективність отримання інформативного сигналу за рахунок покращення точності його відтворення на 20 % та зменшення часу обробки в 5..10 разів у порівнянні з відомими методами.

Розроблено резонансний індуктивно-зв'язаний імітатор сигналів ядерної індукції для налаштування неперервних радіоспектрометрів, який забезпечує налаштовування у вузькій смузі робочих частот з роздільною здатністю не гірше 1 Гц.

Запропонована методика збудження досліджуваної речовини радіоімпульсами із маніпуляцією фази ВЧ заповнення і послідуючим накопиченням сигналу відгуку, що дозволяє усунути вплив синхронних завад і підвищити ефективність реєстрації сигналу відгуку ЯКР.

Ключові слова: радіоспектрометр, ядерний квадрупольний резонанс, ступінчастий сигнал, фазова маніпуляція, синхронний детектор.



АННОТАЦИЯ

Иванчук М.М. Повышение эффективности преобразования информативных сигналов радиоспектрометров ядерного квадрупольного резонанса. - Рукопись.

Диссертация на соискание научной степени кандидата технических наук за специальностью 05.12.13 - “Радиотехнические устройства и средства телекоммуникаций”.-- Национальный университет “Львовская политехника”, Львов, 2011.

Диссертация посвящена решению важной научной задачи повышения временной и точностной эффективности получения и воспроизведения информативных сигналов в радиоспектроскопии ядерного квадрупольного резонанса.

В диссертационной работе предложено методику получения сигнала отклика ядерного квадрупольного резонанса, которая базируется на использовании ступенчатого сигнала временной развертки, и обеспечивает повышение эффективности извлечения информативного сигнала за счет уменьшения времени обработки в 5..10 раз в сравнении с известными методиками. Разработанное схемное решение включения варикапов в перестраиваемом по частоте датчике ядерного квадрупольного резонанса позволяет увеличить воспроизводимость сигнала отклика ЯКР не менее, чем на 20 %.

Разработан резонансный индуктивно-связанный имитатор сигналов ядерной индукции для настройки непрерывных радиоспектрометров, который обеспечивает настройку в узком диапазоне частоты с разрешающей способностью не хуже 1 Гц.

Предложена методика возбуждения исследуемого вещества радиоимпульсами с манипуляцией фазы ВЧ заполнения и последующим накоплением, что дает возможность устранить влияние синхронных помех и увеличить эффективность регистрации сигнала отклика ЯКР. Разработан управляемый широкодиапазонный синхронный детектор, предназначенный для использования в структуре импульсного радиоспектрометра, который обеспечивает возможность увеличения соотношения сигнал/шум дополнительно на 5 дБ. При использовании фазовой манипуляции ВЧ заполнения радиоимпульсов возбуждения вещества и разработанного детектора было получено отклик от 0,5 г кристаллического NaNO2.

Ключевые слова: радиоспектрометр, ядерный квадрупольный резонанс, ступенчатый сигнал, фазовая манипуляция, синхронный детектор.



SUMMARY

Ivanchuk M.M. Increase of efficiency of informing signals transformation of nuclear quadruple resonance radiospectrometers of. -Manuscript.

Thesis for the Degree of Candidate of Technical Sciences in specialty 05.12.13 -- "Radio-electronic devices and means of telecommunications". - Lviv Polytechnic National University, Lviv, 2011

Dissertation is devoted to the solution of very important scientific and technical task of increase of time and accuracy effectiveness of informing signal recept and reproduction in radiospectroscopy of nuclear quadrupole resonance.

The methodology of recept of nuclear quadrupole resonance response signal based on utilization of phased signal of time scanning that ensures high efficiency of recept of informing signal due to enhanced accuracy of its response by 20% and decrease of processing time in 5..10 times in comparison with other known methods is offered in the dissertation.

The resonance inductive-bounded signal imitator of nuclear induction designed for tuning of uninterrupted radiospectrometers that ensures tuning in narrow band of working frequencies with resolution not less then 1H.

The methodology of stimulation of the substance under consideration by radioimpulses with manipulation of high frequency phase and subsequent accumulation of response signal that allows to eliminate the impact of synchronous disturbances and increase the effectiveness of registration of NQR response signal.

Keywords: radiospectrometer, nuclear quadrupole resonance, step signal, phase manipulation, synchrodetector.

Підписано до друку 24.03.2011 р. Формат 60 Ч 84/16 Папір офсетний.

Друк різографічний. Ум. - друк. арк. 0,9 Обл.-вид. арк. 0.9.

Тираж 100. Зам. А-013п. Видавництво та друкарня “Рута”

Чернівецького національного університету 58012, Чернівці, вул. Коцюбинського, 2 Свідоцтво про державну реєстрацію ДК№891 від. 08.04.2002 р. Размещено на Allbest.ru